焊縫形式及分布對(duì)鋁合金儲(chǔ)氣筒耐壓性的影響

谷 晗，沈其明，高 雨

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著世界環(huán)保需求不斷提高，汽車輕量化是環(huán)境保護(hù)的需求之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)3億輛以上，載貨汽車(商用車)保有量達(dá)2千萬輛，占汽車總量的6.7%左右。我國(guó)商用車的總體燃料消耗量占汽車的55%～60%[1-2]。因此，降低商用車的自重，可以有效降低燃油消耗的總量。100公里商用車排放量約為乘用車排放量的3～4倍，汽車重量每降10%可降低排放量5%～6%，汽車減重100 kg，CO2減排10 g/100 km[3]。

隨著各種輕量化商用車型的開發(fā)，鋁合金零部件也逐漸凸顯，如儲(chǔ)氣筒、防撞梁、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、半掛車骨架、倉(cāng)欄車骨架等。儲(chǔ)氣筒是商用車的重要組成部分之一[4-5]，商用車用氣的零件眾多，單憑空壓機(jī)泵出的氣體遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要將泵出的空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣筒中，為制動(dòng)、空氣懸架、駕駛室懸架、空氣座椅、提升橋等部件工作時(shí)提供氣體[6]。而在儲(chǔ)氣筒的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作過程中，各材料間的連接形式則決定著最后產(chǎn)品的安全性能。

本文通過對(duì)儲(chǔ)氣筒通氣閥管接頭位置焊縫的不同連接形式進(jìn)行試驗(yàn)，并測(cè)試試驗(yàn)件的耐壓性能，得到不同的連接形式所能達(dá)到的耐壓值，從而為后續(xù)的產(chǎn)品優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金儲(chǔ)氣筒由筒身、左端蓋、右端蓋、通氣閥管接頭和放水閥管接頭組成，如圖1(a)所示。設(shè)計(jì)額定工作壓力1.2 MPa，規(guī)格45 L，直徑φ285 mm，筒體采用6xxx系合金，材料屈服強(qiáng)度260 MPa、抗拉強(qiáng)度290 MPa、斷后伸長(zhǎng)率≥10%。筒體擠壓一體成型，無焊縫，減少了焊接造成的性能損失，增加了儲(chǔ)氣筒的耐壓性和美觀性，簡(jiǎn)化了加工工序，降低了制造成本，很好地彌補(bǔ)了市面軋制鋁合金卷筒縱縫焊接儲(chǔ)氣筒的不足。端蓋選用5xxx鋁合金板材，該鋁合金屬于Al-Mg系鋁合金，具有密度低、抗拉強(qiáng)度高、延展率高和疲勞強(qiáng)度好等特點(diǎn)。

(a) 儲(chǔ)氣筒結(jié)構(gòu)；(b)焊接位置圖1 鋁合金儲(chǔ)氣筒示意圖(a) gas storage cylinder structure; (b) welding locationFig.1 Schematic diagram of aluminum alloy gas storage cyinder

1.2 焊縫布置

儲(chǔ)氣筒焊接過程分為：筒體與端蓋焊接，采用MIG焊焊接；筒體與管接頭焊接，端蓋與管接頭焊接，采用TIG焊焊接。儲(chǔ)氣筒焊接位置如圖1(b)所示。

2 試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

2.1 產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

參考QC/T 200—2015 汽車制動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)氣筒技術(shù)要求，要求如下：

1)耐壓性。儲(chǔ)氣筒在5倍額定工作氣壓下進(jìn)行10 min靜態(tài)液壓試驗(yàn)后，不能有裂紋，且周向永久變形不能超過1%。

2)密封性。儲(chǔ)氣筒在1.5倍最大額定工作氣壓下，保壓1 min不得漏氣。接頭處允許用密封劑。

3)防腐性。儲(chǔ)氣筒內(nèi)外表面涂上涂層防護(hù)后應(yīng)按JB/Z 111中TQ7級(jí)要求進(jìn)行連續(xù)鹽霧試驗(yàn)。將每個(gè)儲(chǔ)氣筒四等分切開，每1/4塊包括50%的端蓋和25%的殼體。按JB/Z 117第4.1.11 a條(切割邊緣涂漆保護(hù))投入試驗(yàn)，經(jīng)40 h連續(xù)鹽霧試驗(yàn)后，允許有微小和分散的腐蝕點(diǎn)。樣板邊緣和焊縫、螺紋處的腐蝕可不考慮。

4)外觀。儲(chǔ)氣筒外觀應(yīng)平整，不允許有磕碰損傷及凸起。

2.2 壓力試驗(yàn)方案

由于在壓力試驗(yàn)過程中，隨著筒內(nèi)壓強(qiáng)的增大，筒體會(huì)產(chǎn)生一定量的變形。所以對(duì)儲(chǔ)氣筒打壓過程中，每到一個(gè)階段都要保壓一段時(shí)間，確保儲(chǔ)氣筒不會(huì)因變形量激增而突然開裂。具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 壓力試驗(yàn)過程方案Table 1 Pressure test process scheme

3 耐壓性試驗(yàn)過程

3.1 焊接試件制備

在前期產(chǎn)品試制過程中，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品無法達(dá)到技術(shù)規(guī)范中的要求，而且大部分儲(chǔ)氣筒爆破點(diǎn)在右端蓋與通氣閥管結(jié)構(gòu)連接處的a3焊縫，故本次試驗(yàn)的方案見表2。

表2 焊接試驗(yàn)方案Table 2 Welding test scheme

3.2 壓力試驗(yàn)操作

試驗(yàn)過程嚴(yán)格遵照試驗(yàn)方案要求，保證試驗(yàn)結(jié)果有效性。壓力試驗(yàn)操作具體流程為：

1)將試壓泵上方進(jìn)水口蓋打開，注入清水至充滿為止，擰緊蓋子。

2)將儲(chǔ)氣筒配套螺栓均勻纏上生料帶后擰至兩端端蓋螺套處至密封狀態(tài)。從筒體上螺套處注入清水直至注滿為止。

3)使用試壓泵配套膠管將試壓泵與儲(chǔ)氣筒密封連接。

4)將壓力表安裝到試壓泵上并確認(rèn)試壓泵上泄壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

5)均勻按壓試壓泵上手柄，持續(xù)給儲(chǔ)氣筒加壓至0.2 MPa后，將泄壓閥擰開，待泄壓管內(nèi)排出空氣或流出清水為止，重新擰緊泄壓閥。

6)均勻按壓試壓泵手柄，持續(xù)穩(wěn)定地為儲(chǔ)氣筒加壓。待壓力達(dá)到2 MPa時(shí)，保壓3 min；2～4 MPa之間每加壓0.5 MPa，保壓5 min；當(dāng)壓力達(dá)到4 MPa時(shí)，保壓10 min。此后每加壓0.5 MP，均需保壓10 min，直至儲(chǔ)氣筒失效為止，并記錄問題點(diǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 爆破壓力測(cè)量

經(jīng)過規(guī)范的試驗(yàn)操作流程，在不同的儲(chǔ)氣筒檢測(cè)后得出相關(guān)的極限壓力測(cè)量數(shù)值見表3。

表3 極限壓力值及爆破位置Table 3 Limit pressure value and blasting position

4.2 筒身極限周長(zhǎng)測(cè)量

因筒身長(zhǎng)度較長(zhǎng)，筒身各位置也存在差異，故在筒身靠近左右端蓋以及中心位置各取一處進(jìn)行測(cè)量，取平均值，儲(chǔ)氣筒筒身平均周長(zhǎng)變化數(shù)值見表4。

表4 筒身平均周長(zhǎng)變化表Table 4 Variation of average circumference of cylinder body

5 總結(jié)

通過上述的試驗(yàn)過程及結(jié)果分析可看出，采用單純的外側(cè)單層焊縫大電流增加焊角方案無法達(dá)到設(shè)計(jì)需求的6 MPa壓力；外側(cè)雙層焊縫方案只有一個(gè)儲(chǔ)氣筒未達(dá)標(biāo)，但其破壞點(diǎn)為焊縫熱影響區(qū)，這就需要考慮母材筒身是否存在內(nèi)部缺陷而導(dǎo)致耐壓不足；外側(cè)單層+內(nèi)側(cè)單層焊縫方案全部達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。筒身周長(zhǎng)變形量在0.30%～0.71%之間，均符合標(biāo)準(zhǔn)中不超過1%的要求。綜上得出結(jié)論：

1)若單純大電流增加填充金屬方案不可行，經(jīng)爆破后拆解可看出，單純大電流焊接導(dǎo)致焊縫位置母材背部塌陷嚴(yán)重，存在縮根現(xiàn)象，存在裂紋傾向；

2)外側(cè)雙焊縫方案可行，因以第一道a2角焊縫作為打底焊縫，即保證了材料間的有效連接，又為后續(xù)a4角焊縫作為蓋面焊縫提供了足夠的支撐，防止背部塌陷產(chǎn)生缺陷；

3)外側(cè)單層+內(nèi)側(cè)單層焊縫方案可行，內(nèi)外雙焊縫在合理的角焊縫連接金屬填充下增加了連接件之間的有效連接面積，使焊縫的承載能力遠(yuǎn)大于母材的承載能力，同時(shí)內(nèi)外焊接相當(dāng)于第二次焊接對(duì)第一次焊接的熱影響區(qū)進(jìn)行熱處理作用[7]，這就使得最薄弱的焊接熱影響區(qū)得到強(qiáng)化，提高強(qiáng)度。

后續(xù)的產(chǎn)品優(yōu)化可參照外側(cè)雙焊縫方案和外側(cè)單層+內(nèi)側(cè)單層焊縫方案進(jìn)行，以增加母材厚度提高焊角尺寸等方向進(jìn)行改善，滿足減重的同時(shí)也達(dá)到需求的耐高壓能力。